Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Untersuchung des Compoundierprozesses von Carbonfaserrezyklaten

Eine stark wachsende Anwendung in der Kunststoffindustrie ist die Modifizierung von Polymeren mit Fasern aus Carbon und speziell mit Carbonfaserrezyklaten. Als Rezyklate werden recycelte Carbonfasern bezeichnet, welche bei Herstellverfahren z. B. in der Automobilindustrie als Produktionsreste anfallen. Begründet ist dies durch die stetig wachsende Nachfrage nach faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen, die gegenüber unverstärkten signifikant verbesserte physikalische und mechanische Eigenschaften aufweisen. Des Weiteren ist durch neue Gesetze (z. B. EU-Abfallrahmenrichtlinie und Altautoverordnung) festgeschrieben, dass Carbonfaserreste recycelt werden müssen. Durch diese gesetzlichen Vorgaben werden alternative Entsorgungswege für Faserverbunde zukünftig unverzichtbar. Die Herstellung von Compounds aus einer thermoplastischen Matrix und Carbonfaserrezyklaten kann einen dieser alternativen Entsorgungswege darstellen.

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist deshalb die Untersuchung und Analyse der Einarbeitungsvorgänge von Carbonfaserrezyklaten in thermoplastische Kunststoffe auf verschiedenen Compoundierextrudern. Im Fokus steht zuerst das Dosier- und Einzugsverhalten. Anschließend wird die Veränderung der Faserlängenverteilung innerhalb des Prozesses betrachtet.

Als Ergebnis werden Richtlinien für KMU für die Herstellung von Carbonfaserrezyklaten formuliert. Insbesondere für Compoundeure und Maschinenhersteller, die ein breites Produktspektrum und somit Produkte mit hohem Qualitätsanspruch herstellen, ist eine Gewinn- und Umsatzsteigerung möglich. Durch die Arbeiten zum Dosier- und Einzugsverhalten werden die Voraussetzungen geschaffen, um Carbonfasercompounds aus Recyclingfasern herzustellen. Ein Vorhersagemodell für eine resultierende Faserlängenverteilung bei der Verarbeitung von Carbonfaserrezyklaten auf verschiedenen Compoundierextrudern soll zukünftige Investitionsentscheidungen insbesondere bei KMU unterstützen.

Ergebniszusammenfassung:

Das Forschungsvorhaben untersuchte die Einarbeitungsvorgänge von Carbonfaserrezyklaten in thermoplastische Kunststoffe auf Compoundierextrudern. Die Ergebnisse führten zu einem verbesserten Verständnis über das Dosier- und Einarbeitungsverhalten der Carbonfaser. Zudem ist die Entwicklung eines Modells zur Beschreibung der mittleren Faserlänge und die Änderung der Faserlängen für Carbonfasern durchgeführt worden.

Laut den Ergebnissen der Marktanalyse birgt die Verwendung von recycelten Fasern ein großes Marktpotential, falls das Imageproblem der recyclten Fasern gelöst wird. Die Carbonfaserrezyklate am Markt sind als ReUse und Rezyklat-Fasern zu kategorisieren. Eine detaillierte Betrachtung der Ausgangsfaserlängen zeigte eine vergleichbare Qualität der ReUse Fasern mit der von Neufasern. Bei den Dosierversuchen waren alle Rezyklate formbeständig und problemlos dosierbar. Bei den Untersuchungen zum Einarbeitungsverhalten der Rezyklate innerhalb des Compoundierprozess sind zwei Verfahrensmöglichkeiten ausprobiert worden. Das Zusammenspiel zwischen Dosierung, Faser-ZSB und der Doppelschnecke bzw. Planetwalzenextruder funktionierte ohne Probleme. Der Fasergehalt, das Schneckendesign und die Ausgangsfaserlängen besitzen dabei nur einen geringen Einfluss auf die Faserlänge. Beim PWE konnte gezeigt werden, dass die erreichbaren Faserlängen unabhängig von Drehzahl und Gesamtdurchsatz sind. Als kritischer Einflussfaktor ist die Verweilzeit der Fasern zu nennen. Ein gewisser Einfluss ist auch dem Gewichtsanteil der Carbonfasern im Compound zuzuschreiben. Die numerischen Simulationen zeigten die Notwendigkeit, die Schergeschwindigkeiten aus allen geometrischen Bereichen einzubeziehen. Die mechanische Kennwertermittlung zeigt ein Steigerung von Zugfestigkeit und Schlagzähigkeit durch die Rezyklate.

Das entwickelte Modell bildet die Faserlängenabnahme im DSE und PWE realitätsnah ab. Die identifizierten Einflussgrößen Drehzahl und Matrixmaterial werden dabei berücksichtigt.